(57)【要約】【課題】  強化された疲労強度を有する整形外科インプラントの製造方法を提供すること。【解決手段】  細長いステムを有する鍛造インプラント支持体に、融点低下物質を組込む。続いて、金属粒子を当該支持体に焼結させ、当該支持体上に多孔質層を形成させることにより骨成長又は骨セメントとの機械的連結を強化する。有利には、焼結は、前記物質が支持体内に組み込まれない場合よりも低温で行われ、これが後に本発明のインプラントの疲労強度の強化をもたらす。鍛造又は鋳造インプラントの疲労強度はまた、多孔質コーティングを焼結により付着させた後、当該インプラントを窒素拡散硬化及び／又は熱処理することによって向上しうる。更に、当該疲労強度は、融点低下物質の組込みを、窒素拡散硬化及び／又は時効処理と、焼結に続いて組み合わせることによって更に向上しうる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鍛造整形外科インプラント上に多孔質層を形成する方法であって、
（ａ）鍛造金属合金から形成され、且つ多孔質層を支持するのに適した表面を有し、且つ多数の金属粒子を提供する整形外科インプラント支持体を準備する工程；
（ｂ）当該支持体の融点を低下させる物質を鍛造した支持体に組込む工程；
（ｃ）当該支持体表面と金属粒子を、互いに接触させる工程；及び
（ｄ）当該金属粒子及び当該支持体を、低下した融点未満の温度に加熱し、それにより当該粒子を表面に焼結させ、そして接合させる工程、
を含んで成る方法。
【請求項２】
当該物質を多数の金属粒子に組込むことを更に含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
以下の：
焼結後に少なくとも室温にまで当該インプラントをガス焼入れする段階；
約８００°Ｆ（４２６．７℃）〜２１００°Ｆ（１１４９℃）の時効温度範囲にまで当該インプラントを加熱する段階；及び
金属粒子が接合した当該インプラントを、１〜１００時間時効温度範囲内で時効する段階；
を更に含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
当該ガス焼入れ段階が、−９０°Ｆ（−６７．７８℃）未満に当該インプラントを冷却することを含んで成る、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
当該ガス焼入れ段階が、−９０°Ｆ（−６７．７８℃）〜３００°Ｆ（−１８４．４℃）の間に当該インプラントを冷却することを含んで成る、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
当該組込み段階が窒素拡散硬化処理を含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
当該組込み段階がイオン注入を含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
当該組込み段階が固相熱拡散を含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
当該組込み段階がブラスティングを含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
当該組込み段階が熱処理コーティング工程を含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
当該組込み段階が炭素及び窒素雰囲気のうちの少なくとも１つにおいて行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
焼結の後に徐炉冷することを更に含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
段階（ｄ）の後に、当該インプラントを窒素拡散硬化することを更に含んで成り、ここで、当該窒素拡散硬化が、５００°Ｆ（２６０℃）〜２４００°Ｆ（１３１６℃）の範囲の処理温度で少なくとも３０分、当該インプラントを窒素雰囲気に暴露することを含んで成る、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
段階（ｄ）の後に：
焼結後に少なくとも室温にまで当該インプラントをガス焼入れする段階；
約８００°Ｆ（４２６．７℃）〜２１００°Ｆ（１１４９℃）の時効温度範囲に当該インプラントを加熱する段階；及び
金属粒子が接合した当該インプラントを、前記時効温度で１〜１００時間時効する段階、
を更に含んで成る、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
段階（ｄ）の後に、０．５時間超の期間をかけて当該インプラントを室温にまで徐冷することを更に含んで成る、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
段階（ｂ）が、当該支持体を窒素拡散硬化することによって行われ、且つ段階（ｄ）の後に当該インプラントを窒素拡散硬化する段階を更に含んでなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
段階（ａ）で準備されるインプラントが、コバルト−クロム−モリブデン合金から作られる、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
段階（ｂ）で組み込まれる物質が、本質的に炭素、ケイ素、窒素、ニオビウム、コロンビウム、タンタル、炭化クロム、窒化クロム、ケイ化クロム、ケイ化モリブデン、ホウ化クロム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化チタン、チタンアルミナイド、ケイ化チタン、炭化ジルコニウム及びケイ化ジルコニウムから成る群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
多孔質層をその上に有するインプラントの疲労強度を増大させる方法であって：
（ａ）金属合金から形成され、且つ多孔質層を支持するのに適した表面を有し、且つ多数の金属粒子を提供するインプラント支持体を準備する段階；
（ｂ）当該支持体表面と当該金属粒子を互いに接触させる段階；
（ｃ）当該金属粒子及び当該インプラント支持体を、当該粒子を当該表面に焼結させるのに十分な温度に加熱し、それによって当該粒子が当該表面に接合し、そして多孔質層が形成する段階；
（ｄ）続いて、当該粒子が接合した当該インプラントを、少なくとも室温に下がるまでガス焼入れする段階；
（ｅ）続いて、当該支持体を約８００°Ｆ（４２６．７℃）〜２１００°Ｆ（１１４９℃）の時効温度範囲にまで加熱する段階；及び
（ｆ）金属粒子が接合した当該インプラントを、当該時効温度範囲内で１〜１００時間時効する段階、
を含んで成る方法。
【請求項２０】
当該ガス焼入れ段階が、−９０°Ｆ（−６７．７８℃）未満に当該インプラントを冷却することを含んで成る、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
当該ガス焼入れ段階が、−９０°Ｆ（−６７．７８℃）〜３００°Ｆ（−１８４．４℃）の間に冷却することを含んで成る、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
多孔質層をその上に有するインプラントの疲労強度を増大させる方法であって：
（ａ）金属合金から形成され、且つ多孔質層を支持しするのに適した表面を有し、且つ多数の金属粒子を提供するインプラント支持体を準備する段階；
（ｂ）当該支持体表面と当該金属粒子を互いに接触させる段階；
（ｃ）当該金属粒子及び当該インプラント支持体を、当該粒子を当該表面に焼結させるのに十分な温度に加熱し、それによって当該粒子が当該表面に接合し、そして多孔質層が形成する段階；
（ｄ）０．５時間超の期間をかけて、室温にまで当該インプラントを徐冷する段階、
を含んで成る方法。
【請求項２３】
鍛造インプラントの疲労強度を増大させる方法であって：
（ａ）鍛造整形外科インプラント支持体を準備すること；及び
（ｂ）窒素に富む雰囲気に対し、５００°Ｆ（２６０℃）〜２４００°Ｆ（１３１６℃）の範囲内の処理温度で、疲労強度の増大を達成するのに十分な処理期間当該支持体を曝露すること、
を含んで成る方法。
【請求項２４】
段階（ａ）で準備された支持体が、鍛造コバルト−クロム−モリブデン合金を含んで成る、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
段階（ａ）の前に、多孔質層を当該インプラント支持体に焼結させることを更に含んで成る、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
段階（ｂ）の後に、以下の：
少なくとも室温にまで当該インプラントをガス焼入れする段階；
約８００°Ｆ（４２６．７℃）〜２１００°Ｆ（１１４９℃）の時効温度範囲に当該インプラントを加熱する段階；及び
金属粒子が接合したインプラントを、当該時効温度範囲内で１〜１００時間時効する段階、
を更に含んで成る、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
請求項１に記載の方法に従い製造される整形外科インプラント。
【請求項２８】
請求項１９に記載の方法に従い製造される整形外科インプラント。
【請求項２９】
請求項２３に記載の方法に従い製造される整形外科インプラント。
【請求項３０】
組み込まれる融点低下添加物質を含む外面を有するボディ及び当該外面に拡散接合した粒子を含んで成る整形外科インプラント。
【請求項３１】
外面を有するボディ及び当該外面に焼結した粒子を含んで成る整形外科インプラントであって、その中に窒素が拡散されているインプラント。
【請求項３２】
外面を有し、コバルト−クロム−モリブデン合金を含んで成るボディ、及び当該外面上に焼結したコバルト−クロム−モリブデン合金を含んで成る粒子、を含んで成る整形外科インプラントであって、疲労強度が６０ｋｓｉ（４１３．７ＭＰａ）以上である、インプラント。
【請求項３３】
当該外面が、その中に組み込まれる融点低下添加物質を含む、請求項３２に記載のインプラント。
【請求項３４】
更に、当該ボディ及び接合した粒子を含んで成るインプラントがその中に窒素を拡散させている、請求項３３に記載のインプラント。
【請求項３５】
更に、当該インプラントが室温以下にガス焼入れされ、そして８００°Ｆ（４２６．７℃）〜２１００°Ｆ（１１４９℃）に及ぶ温度で時効される、請求項３４に記載のインプラント。
【請求項３６】
当該ボディ及び接合した粒子を含んで成るインプラントがその中に窒素を拡散させている、請求項３２に記載のインプラント。
【請求項３７】
当該インプラントが室温以下にガス焼入れされ、そして８００°Ｆ（４２６．７℃）〜２１００°Ｆ（１１４９℃）に及ぶ温度で時効される、請求項３２に記載のインプラント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して多孔質表面が付着した整形外科インプラント、更に具体的にはそのようなインプラントの疲労強度の向上、に関する。
【背景技術】
【０００２】
患者の関節の一部の置換のための整形外科インプラントは周知であり、例えばコバルト−クロム−モリブデン又はチタンから構築されうる。同様に、当該インプラント上に多孔質表面を供し、直接的な骨成長(bone ingrowth)及び当該インプラントとの相互嵌合を可能にすることにより固定を促進させることも知られている。あるいは、当該多孔質表面は、内部に骨セメントを受け入れ、骨セメントとの機械的なインターロックを増強することもできる。当該多孔質表面層は、典型的に多数の小さな金属粒子、例えばビーズ又はワイヤーメッシュの形態をとる。一般に、当該多孔質表面層は、当該インプラントと焼結、拡散接合、又は溶接される。これらの工程は、当該インプラント及び粒子を、多孔質表面層とインプラントボディがそれらの相互の接触点で一緒に、融解、溶融又は接合するのに十分な温度に加熱することを必要とする。
【０００３】
ビード(beaded)表面及び／又は他のテクスチャード(textured)表面に伴う現象は、テクスチャリングが当該インプラント表面上に「ノッチ効果」を創り出すということである。接合部を横断面で見ると、小さなノッチが、多孔質表面層とインプラントの間の接触点のそれぞれの側で、インプラント内に伸びているのが見られる。このいわゆる「ノッチ効果」は、インプラントが周期的に疲労モードにおいて加重を加えられた場合のクラック形成に寄与する。
【０００４】
ビード表面又はテクスチャード表面に伴う関連の現象は、ビーズが典型的にインプラントに付着する焼結工程が、インプラントの疲労強度を弱めるアニーリング効果を創り出すということである。このアニーリング効果は、鍛造されたインプラントであって、金属の働きに起因して、ビード接合(bead bonding)前のそれらの鋳造の対応品よりも強い疲労強度を有するインプラントにおいて特に著しい。
【０００５】
本発明の譲受人に譲渡され、且つ引用によって本明細書に組み込まれる米国特許第５，４４３，５１０号は、形成されるノッチの数を減らすことによって「ノッチ効果」の現象に取り組むことを開示している。インプラントボディにおけるノッチの形成は、当該インプラント表面上に金属メッシュの薄層を創り出し、続いて多孔質表面層を当該メッシュ上に接合することによって制限されうる。
【０００６】
本発明の譲受人に譲渡され、且つ引用によって本明細書に組み込まれる米国特許第５，７３４，９５９号は、多孔質表面層とインプラントの間の接合を強化する方法を開示している。有機性接合剤、例えば水溶性タンパク質は、多孔質表面層とインプラントの間の接合を強化するために使用される。焼結工程の間、当該接合剤は炭化し、そして多孔質表面層の金属と共に合金となり、それによって界面で金属粒子の融解温度を低下させる。他の合金材料、例えばケイ素もこの方法により当該接合剤中で懸濁されうる。この特許は、ノッチ効果の現象に取り組んでいない。
【０００７】
本発明の譲受人に譲渡され、且つ引用によって本明細書に組み込まれる米国特許第５，３０８，４１２号は、窒化又は窒素拡散硬化工程により、コバルト−クロムベースの整形外科インプラントを表面硬化する方法を開示している。第’４１２号特許は、ポリエチレン、金属又はセラミックの対応面(counterface)に対する咬合から生まれる、又はインプラントと接触している環境、典型的には骨又は骨セメントに対するインプラントの微細な動きにより生まれる摩擦くずを減らすために、インプラントの表面の耐水性を増大させることを目的とする。第’４１２号特許は、そこに開示されている窒化工程が、当該インプラントに対する疲労特性の損失を最低限にすること又は損失を無くすことを示唆している。
【発明の開示】
【０００８】
本発明は、支持体に多孔質層を焼結させる前に、当該支持体の融点を低下させる物質をインプラントに組込むことによって疲労強度を強化したインプラントを提供する。その際、焼結はより低温で実施してもよく、このことは、後に、当該焼結工程の間に生じる鍛造されたインプラントからの疲労強度損失を有意に減らす。
【０００９】
本発明はまた、当該インプラントが前記焼結工程完了後にかけられ得る窒化工程及び熱処理工程も提供する。窒化又は窒素拡散硬化工程及び熱処理工程は更に、鋳造又は鍛造インプラントの疲労強度を増大させる。
【００１０】
１つのその形態において、本発明は、鍛造整形外科インプラント上に多孔質表面を形成する方法を提供する。最初に、鍛造された合金から形成され、且つ多孔質層を支持するのに適した表面及び多数の金属粒子を有する整形外科インプラントが供される。鍛造された支持体に、当該支持体の融点を低下させる物質が組み込まれる。当該支持体表面及び金属粒子は互いに接触させられ、そして低下した融点未満の温度に加熱され、それによって当該粒子が当該表面に接合する。
【００１１】
好ましい形態において、鍛造される合金はコバルト−クロム−モリブデン合金である。融点を低下させる物質は、炭素、ケイ素、窒素、ニオビウム、コロンビウム、タンタル、炭化クロム、窒化クロム、ケイ化クロム、ケイ化モリブデン、ホウ化クロム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化チタン、チタンアルミナイド、ケイ化チタン、炭化ジルコニウム又はケイ化ジルコニウムであってもよい。
【００１２】
上述の方法の１つの利点は、「ノッチ効果」と、焼結に伴う高温及び長期間に起因する疲労強度の低下、とを相殺することである。すなわち、本発明に従う方法は、焼結工程を経て疲労強度の多くを維持している鍛造インプラントを提供する。
【００１３】
その別の形態において、本発明は、多孔質層を表面に有するインプラントの疲労強度を増大させる方法を含んで成る。当該インプラントは、鋳造又は鍛造材料のいずれかから形成してもよい。合金から形成され、且つ多孔質層を支持するのに適した表面及び多数の金属粒子を有するインプラント支持体を提供する。金属粒子が当該支持体表面と接触させられる。金属粒子及びインプラント支持体は、当該粒子を表面に焼結させるのに十分な温度に加熱され、それにより当該粒子が当該表面に接合し、そして多孔質層を形成する。次に、当該インプラントは少なくとも室温にまで低下するようガス焼入れされる。当該支持体は、続いて約８００°Ｆ（４２６．７℃）〜２１００°Ｆ（１１４９℃）の時効(aging)温度範囲に加熱され、そして当該時効温度で１〜１００時間時効される。
【００１４】
好ましい形態において、前記方法は、−９０°Ｆ（−６７．７８℃）未満に、又は−９０°Ｆ（−６７．７８℃）〜３００°Ｆ（−１８４．４℃）の間にガス焼入れすることを含む。
【００１５】
これらの熱処理方法の１つの利点は、それらが融点低下物質を組込む方法に加えて使用しても、又はそれとは別個に使用してもよいということである。
【００１６】
本発明の熱処理方法の別の利点は、それらが鍛造又は鋳造部品の強度を強化するために使用されてもよく、且つ多孔質コーティングされた若しくはされてないインプラントに使用されてもよいということである。
【００１７】
更に別の形態において、本発明は、ビード(beaded)インプラントの疲労強度を増大させる方法を提供する。当該インプラントは鍛造されても鋳造されてもよい。ビード整形外科インプラント支持体を準備し、そして次に５００°Ｆ（２６０℃）〜２４００°Ｆ（１３１６℃）の範囲の処理温度の、分子の窒素ガス又は原子の窒素の雰囲気に、疲労強度の増大を達成するのに十分な処理期間曝露される。
【００１８】
本発明に従う本発明の窒化工程の利点は、それが鋳造又は鍛造インプラントの疲労強度を有意に向上させることである。従って、焼結にかけられた鋳造又は鍛造インプラントは、それらの疲労強度が、その後に本発明に従う窒素拡散硬化工程又は窒化工程を用いることによって回復し得る。
【００１９】
本発明の進歩性のある方法の別の利点は、それらが広範なインプラント、例えば股関節(hip)、膝、肩、肘及び他の関節のためのインプラントの機械的特性を向上させうるということである。
【００２０】
添付図面と一緒に以下の本発明の態様の説明を参照することによって、上文で言及した本発明の特徴及び目的並びにその他のもの、並びにそれらを達成する方法はより明らかとなり、そして本発明自体がより理解されるであろう。
【００２１】
対応する参照文字は、図面を通じて対応する部分を示す。当該図面は本発明の態様を代表するが、当該図面は必ずしも実物大ではなく、そして本発明をより例示して説明するために、幾つかの特徴が誇張されていることもある。本明細書に記載の例示は、本発明の範囲を何ら限定するものとして解釈されるべきではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１に示すように、股関節ステム１２の形態の整形外科インプラント１０は、支持体１１（図２）及び多孔質層１４を含んで成る。多孔質層１４は、金属粒子を含んで成る。本明細書のために、用語「粒子」は広く解されるべきであり、且つビーズ、ファイバー、ワイヤーメッシュ及び他の既知の材料並びに多孔質層１４を形成するために使用されるそれらの形状を含む。図３において拡大して示すように、例示した態様における当該粒子は丸いビーズ１６である。ビーズ１６は既知の焼結方法によって支持体１１と接合されることがあり、当該焼結方法においては、当該ビーズが当該支持体と接触され、そして熱が加えられ、これにより当該支持体に対する当該ビーズの原子的な接合が生じる。
【００２３】
鍛造（又は鍛錬）コバルト−クロム−モリブデン合金（ＡＳＴＭ−Ｆ１５３７）インプラントの疲労強度が、ビーズが常用の焼結温度未満、すなわち２３８５°Ｆ（１３０７℃）未満の温度で支持体に接合されうる場合、良好に維持され得ることが明らかとなった。支持体の融点は、融点低下物質、例えば金属又は非金属因子を当該支持体に組込むことによって低下されうる。同様に、前記因子の金属間化合物が、支持体内にその融点を低下させるために組み込まれてもよい。例えばわずかに約３０〜５０°Ｆ（−１．１１１〜１０℃）又はそれ以上の融点の比較的小さな低下が、多孔質層を支持体に焼結した後、有意により強力な支持体を生み出すことが明らかとなった。これは、加熱から生じる疲労強度の低下の大部分が、当該支持体の温度がその融解温度に到達するまで起こらないためである。別の言い方をすれば、疲労強度が温度上昇の関数としてプロットされた場合、生じたグラフは、支持体の融点から５０〜１５０°Ｆ（１０〜６５．５６℃）下がるまでかなり水平な線であり、その後急な下降曲線が現れる。従って、当該支持体表面の融点、そしてその後の焼結温度の比較的小さな低下が、インプラントの疲労強度の有意な保存をもたらし得ることを認めることができる。
【００２４】
関連の利点として、粒子を支持体に首尾よく焼結させるのに必要な時間は、支持体に組み込まれたこれらの融点低下物質により短縮することができる。ビーズ１６の融点は、これらの金属又は非金属因子及び化合物をビーズに組込むことによっても低下させることができる。
【００２５】
インプラント上での多孔質層の形成は広く当業者に知られており、本明細書で詳細に論じる必要はない。最も一般的には、多孔質層を支持するのに適した表面及び多数の金属ビーズを有する整形外科インプラント支持体が供される。本発明によると、融点低下物質が、続いて、本明細書の下文に記載する商業的に利用可能な方法を用いて、当該支持体の表面に組み込まれる。ビーズが当該支持体表面と接触され、そして、それに焼結が起こる温度であって、前記物質を組込むことによって生じた、低下した融点未満の温度に加熱することによってそれと融合される。焼結は、例えば常用の焼結オーブンで実施してもよく、そしてその結果、金属粒子が当該支持体に接合する。
【００２６】
支持体１１は、任意の鍛造コバルト−クロム−モリブデン又は他のコバルトベースの合金から形成されてもよいと解されるべきである。
【００２７】
多数の異なる因子及び金属間化合物が、支持体の融点を低下させることができる。これらの融点低下物質には、炭素、ケイ素、窒素、ニオビウム、（又はコロンビウム）、タンタル、炭化クロム、窒化クロム、ケイ化クロム、ケイ化モリブデン、ホウ化クロム、炭化ケイ素、窒化ケイ素、炭化チタン、チタンアルミナイド、ケイ化チタン、炭化ジルコニウム及びケイ化ジルコニウムが含まれる。
【００２８】
窒素拡散硬化工程又は窒化工程は、支持体表面が、インプラント及び／又はビーズを窒素ガス環境に据えることによって窒素と合金化され、これにより低下した融点を有する合金が生じることを伴う。窒素拡散硬化工程を通じて、窒化物、例えばＣｒＮ2、ＣｏＮ2及びＭｏＮ2が支持体上の表面層で形成される。窒素拡散硬化工程は周知であり、例えば、本発明の譲受人に譲渡され、且つ引用によって本明細書に組み込まれる米国特許第５，３０８，４１２号に記載されている。多孔質コーティングされた鍛造インプラントの疲労強度を向上させるために窒素拡散硬化工程を使用することは、これまで知られていなかった。
【００２９】
イオン注入工程は、融点低下物質をインプラント支持体に組込むために使用されうる。商業的に利用可能なイオン注入工程は、典型的に、イオン源からイオンの流れを引き出し、それらを加速し、そして集中させてビームにし、これを当該支持体上にラスター(raster)させる。
【００３０】
高温の商業的に利用可能なコーティング工程もインプラント支持体及びビーズをコーティングするために使用されることがある。そのような熱処理コーティング工程は、プラズマスプレーコーティング工程を含み、ここでは、組み込まれる物質が溶融状態にまで加熱され、続いて合金上に蒸着され、この後当該物質が固化し、そして機械的に当該支持体と接合する。
【００３１】
前記物質によるインプラント表面のブラスティング(blasting)は、商業的に利用可能なブラスティング工程を用いて達成することができる。当該ブラスティング工程は、融点低下物質の残渣をインプラント表面上に残す。その結果、当該インプラント表面はより低い融点を有し、その結果、良好な金属接合が当該インプラント表面とビーズとの間により低い焼結温度で確立される。ブラスティング工程による組込みは、更に、当該ブラスティングが当該表面を「加工硬化」する点で有利である。更に、ブラスティングは、若干磨り減った表面を生み出し、これはビーズがそれに付着するのを助ける。
【００３２】
上述の工程を用いて合金表面に加えられ得る融点抑制物質の例は、ＣｏＣＯ3、Ｃｏ2Ｐ、ＣｏＭｏＯ4、ＣｏＳｉ、Ｃｏ2Ｓｉ、ＣｏＳｉ2、Ｃｏ3Ｓｉ、ＣｏＳ、ＣｏＳ2等である。
【００３３】
あるいは、インプラント支持体に対するビーズの焼結は、窒素又は炭素雰囲気で実施されることがある。例えば、当該接合は、有利には窒素ガスで充満したチャンバー内で実施される。好ましくは、当該雰囲気は９９％超の窒素を含んで成る。同様に、当該接合は、有利には炭素含有ガス、例えば二酸化炭素又はメタンで充満したチャンバー内で実施される。尚、当該雰囲気中の酸素は、有利には、酸化効果を制限するために減らされる。そのような強化された環境での処理は、固体の合金支持体内への炭素又は窒素の吸着、その後のコバルト及びモリブデンの炭化物及び窒化物の形成をもたらす。当該炭化物及び窒化物の存在は、支持体表面の融点を低下させ、そしてその結果支持体に対するビーズの焼結が起こる温度を低下させる。
【００３４】
上述の融点低下物質を組込む工程は、以下の表ＩＩＩを参照することで分かるように、それだけで、焼結工程の間に鍛造された支持体が失う疲労強度を最小化する。しかしながら、鍛造部品及び鋳造部品は、本明細書の下文に詳細に記載したように、当該部分に強度を加えるために、焼結工程の後に窒素拡散硬化工程又は熱時効工程にかけられてもよいことが明らかとなった。更に、その後の窒化及び時効は、多孔質コーティングしたインプラントの疲労強度を増大させるために、別々に又は上述の組込みの後に使用されてもよい。
【００３５】
耐磨耗性を向上させるためのインプラント支持体の窒素拡散硬化は、米国特許第５，３０８，４１２号に記載されている。しかしながら、第’４１２号特許は、窒素拡散硬化がよくてもインプラントの疲労強度を低下させないということを示唆している。驚いたことに、本発明者は、鍛造又は鋳造インプラントのビード接合の後に実施される窒素拡散硬化が、実際に有意にインプラントの疲労強度を向上させることを発見した。窒素拡散が、拡散接合温度（上述）を低下させるためにビード接合前に使用されることもあり、そして／あるいは更に疲労強度を向上させるためにビード接合後に使用されることもあることが予測される。
【００３６】
以下の表Ｉ及びＩＩを参照すると、窒素拡散硬化にかけた、多孔質コーティングされた鍛造コバルト−クロム−モリブデンの疲労強度の向上を予測することができる。表Ｉは、低下した焼結温度で接合したコバルト−クロム−モリブデンの鍛造された平面の一片のコントロール試料に由来する結果及びストレス比Ｒ＝０．１でカンチレバー法において試験された疲労を例示する。試験試料が平面であったにも関わらず、鍛造工程は、例えば股関節ステムに使用した鍛造工程に従い実施された。ビード接合は、焼結オーブン内で、２３５０°Ｆ（１２８８℃）で１時間実施された。表Ｉに示すように、コントロール試料は、続いて１０００万回又はそれらが壊れるまでサイクルにかけられた。コントロール標本Ｎｏ．１は、５５ｋｓｉ（３７９．２ＭＰａ）の加重で３７０万回のサイクルの後壊れ、そして標本Ｎｏ，２は６０ｋｓｉ（４１３．７ＭＰａ）の加重で、２６０万回のサイクルの後に機能しなくなった。標本Ｎｏ．３は、５７．５ｋｓｉ（３９６．５ＭＰａ）で機能しなくなった。従って、この試料群は、約５５ｋｓｉ（３７９．２ＭＰａ）の疲労強度を示した。
【００３７】
表ＩＩに記録した、第二組目の試料は、コントロールに使用したものと同一のビード接合工程を用いてビード接合した後、窒素拡散硬化工程を受けた。当該窒素拡散硬化は、米国特許第５，３０８，４１２号に記載のものと実質的に同一の手順を用いて、２０００°Ｆ（１０９３℃）で２時間実施した。通常、当該窒素拡散硬化工程には、インプラント支持体を、未希釈の分子窒素ガスに対し５００°Ｆ（２６０℃）〜２４００°Ｆ（１３１６℃）の範囲内の処理温度で０．２５〜４時間曝露することを含めた。表ＩＩに示す通り、窒素拡散硬化支持体には、６５ｋｓｉ（４４８．２ＭＰａ）付近の加重まで破断は起こらなかった。従って、窒素拡散硬化工程は、鍛造ビード合金の疲労強度を有意に向上させる。
【００３８】
鍛造合金の疲労強度の向上に加えて、窒素拡散硬化工程は、鋳造支持体の疲労強度を向上させうる。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
【表２】
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疲労強度の向上はまた、時効熱処理を用いて、ビード接合の後の熱処理によって得ることができる。
【００４１】
ビードが焼結によってインプラント支持体に付着した後、ビードコートインプラントは、焼結温度から約２１００°Ｆ（１１４９℃）に下がるまで冷却される。２１００°Ｆ（１１４９℃）への冷却は制御してもよく、あるいは炉又はオーブン内で自然に起こるよう放置してもよい。２１００°Ｆ（１１４９℃）に達すると、部品が少なくとも室温以下に下がるまで迅速にガス焼入れされる。ガス焼入れは、当業界で広く知られているような非常に冷たいガス、例えばアルゴン又は窒素に当該部品をかけることによって実施される。あらゆる特定の理論に拘束されることを望むことなく、焼結の間に得られる温度である約２３８５°Ｆ（１３０７℃）が、当該支持体の原子的な微細構造における過飽和条件をもたらすことが教示される。ガス焼入れによる迅速な冷却は、焼結温度の間に形成した原子的な微細構造に「固定化(rock in)」し、そして高温での時効により、当該支持体の至る所に炭化クロム及び炭化モリブデンの微細な析出物を形成させる。
【００４２】
従って、当該焼入れ段階の後、ビード支持体は、約８００〜２１００°Ｆ（４２６．７〜１１４９℃）の温度範囲内で、１〜１００時間、更に好ましくは１〜４０時間加熱され、そして時効される。好ましくは、当該加熱及び時効は、酸化を防ぐために、酸素を低下させた雰囲気で行われる。例えば、部分的真空又は不活性ガス、例えばアルゴンを含む雰囲気が適している。ある程度まで、時効時間が時効温度に反比例し、その結果、最適な疲労強度に達するのに必要な時間が温度の上昇につれて減少する。当該時効工程の間に形成した炭化物の析出物がベース合金の格子内に適合し、そしてそれらの硬度及び機械的特性を増大させる。
【００４３】
時効した高炭素コバルト−クロム−モリブデン合金鍛造品の疲労特性を表ＩＩＩに示す。表ＩＩＩに示すように、常用の高温（２３５０°Ｆ（１２８８℃）超）焼結したコバルト−クロム−モリブデン合金の疲労強度を報告する（実施例１）。疲労強度は、上述の処理によって増大する。２３５０°Ｆ（１２８８℃）以下となるように焼結温度を低下させることにより（実施例２）、表Ｉとともに論じたように、有意な向上が生じる。ビード接合後の時効が（実施例３）、更なる疲労強度の向上をもたらすことが明らかとなった。最終的に、融点低下物質の組込みによる低下した温度での焼結の実施と窒素拡散硬化は（実施例４）、表ＩＩとともに論じたように、追加の効果をもたらす。これらの工程のいずれかを別々に又は一緒に使用することができ、その結果コバルト−クロム−モリブデン合金インプラントの疲労強度が向上し、且つ、一緒に使用した場合に、それらが追加の効果を有する、と考えられる。
【００４４】
当該時効工程は、整形外科インプラントに加え、歯科インプラントのような応用にとって、それらの疲労強度を向上させるのに有用でありうるものと理解される。更に、当該時効工程は、鋳造及び鍛造合金の両方に使用することができる。
【００４５】
【表３】
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【００４６】
時効工程が、インプラント支持体を焼入れ段階の間に−９０°Ｆ（−６７．７８℃）〜−３００°Ｆ（−１８４．４℃）（室温の代わり）の低温にまで冷却した場合により良い疲労強度をもたらすことが明らかとなった。この低温処理が機能する正確な機構はわかってないが、低温への当該支持体の冷却が、焼結温度で形成される、過飽和の原子的な微細構造をより良く保存すると考えられる。
【００４７】
時効工程において、低温に冷却して、又は冷却せずに使用されうる具体的な市販の合金には、Carpenter Biodur CCM Plus合金（Carpenter Steels of Reading(PA)より市販されている）、Firth Rixson高炭素合金（Firth Rixon Superalloys Ltd(Derbyshire, England)より市販されている）、Teledyne Allvac高炭素合金（Teledyne Allvac又はMonroe(NC)より市販されている）、ASTM F-75, ASTM F-799及びASTM F-1537が含まれる。
【００４８】
当該合金の硬化及び増大した疲労強度はまた、焼結又は溶体化処理温度から、焼結したコバルト−クロム−モリブデン合金を徐炉冷(slow furnace cooling)することによっても達成されうる。当該工程の因子は重要ではない。３０分の期間に及ぶ、焼結温度から室温への炉内の冷却が、所望の結果をもたらす。当該徐炉冷工程の間に、炭化クロムが原子的な微細構造の格子内に析出し、そして当該合金を硬化させる。
【００４９】
本発明は例示目的で記載されているが、本発明は更に本発明の開示の精神及び範囲において更に改良することができる。従って、本願は、本発明の一般的な原理を用いたあらゆる変更、使用、又は適用を網羅することを意図する。更に、本願は、本発明に関連し、且つ特許請求の範囲の限定に含まれる分野の既知の又は慣行的な実施の範囲内にあるような、本発明の開示からのそのような逸脱を網羅することが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、例示した態様に従って多孔質コートが付着した股関節ステムの斜視図である。
【図２】図２は図１の線２−２に沿った断面図である。
【図３】図３は、図１の股関節ステムの多孔質表面を例示する拡大部分図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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